Matériaux bitumineux
Matériaux bitumineux
Les investigations sur les matériaux bitumineux à usage routier qui comprennent les liants hydrocarbonés, les mastics et les enrobés bitumineux, ont été poursuivies. Les quatre aspects essentiels pour le dimensionnement des chaussées sont :
a) l’analyse des propriétés "quasi-linéaires" en «petites" déformations et des pertes de linéarité avec l’amplitude de sollicitation,
b) l’endommagement créé par l’accumulation de cycles en petites déformations (fatigue) d’une part, et la propagation des "macro" fissures lorsque ces dernières apparaissent d’autre part,
c) les "grandes" déformations et la rupture ainsi que les accumulations sous chargement cyclique des déformations permanentes de type élastoplastique ou visco-plastique qui créent, par exemple, l’orniérage des chaussées,
d) les couplages thermo-mécaniques qui sont, par exemple, à l’origine des fissurations des chaussées à basse température.
Chacun de ces aspects correspond à un domaine particulier du comportement des mélanges bitumineux qui doit faire l’objet de développements et d’analyses spécifiques. Ces quatre aspects, pour lesquels la température joue un rôle important, ont été étudiés au laboratoire. Durant la période comprise entre janvier 2004 et décembre 2007 des avancées significatives ont été obtenues, en vue de la description des différentes facettes du comportement de ces matériaux, en particulier des mastics pour lesquels un brevet à été déposé en 2006 avec la société Total. L’article de Olard, Di Benedetto, Eckmann et Triquigneaux, "Linear viscoelastic properties of bituminous binders and mixtures at low and intermediate temperatures" qui reprend une partie des travaux sur le comportement linéaire des matériaux bitumineux a reçu en 2004 le prix du meilleur article du journal"Road Materials and Pavement Design". D’autre part, la thèse de François Olard (2003) a obtenu le premier prix du Groupe Français de Rhéologie et le premier prix du concours universitaire "Excellence SMA 2004" de la SMABTP. Ces travaux exploitent en partie les potentialités, dans le cas monodimensionnel, du modèle rhéologique DBN qui est issu de nos travaux. Plus récemment, l'article de Delaporte, Di Benedetto, Chaverot, Gauthier (07) a obtenu le W.J. Emmons Award du meilleur papier du journal de l'AAPT (Association of Asphalt Paving Technologists) pour l'année 2007.
Les développements relatifs aux points a), b) et c) sont présentés dans la suite de ce chapitre alors que ceux associés au point d) sont abordés dans le thème traitant des couplages : "phénomènes couplés".
Les recherches entreprises ont, en général, fait l’objet de collaborations avec des partenaires institutionnels ou privés. Par exemple, le projet de recherche "Recyroute" qui a été sélectionné par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) à la session de Juin 2007, regroupe autour du laboratoire le LCPC, le LROP (Laboratoire Régional de l’Ouest Parisien), une PME (CTI), Eiffage TP, la ville de Paris et la société d’autoroute APRR. Ce projet, qui débute en 2008, a pour objectif la validation d’un nouveau complexe "blanc-noir" pour les chaussées ainsi qu’une nouvelle méthode de dimensionnement pour ce type de matériaux composites. Les recherches menées s’inscriront donc dans l’ensemble des points a, b, c et d.
L’équipe a bénéficié de la présence en année sabbatique du Prof. Bill Buttlar de l’université d’Illinois, Urbana Champaign, entre janvier et juin 2005. Les chercheurs du laboratoire sont impliqués dans les travaux des Comités Techniques Rilem N°206 : "Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials" (ATB) et N°210 : "Cracking of Asphalt Pavement" (CAP). Hervé Di Benedetto est responsable du groupe de travail "Mechanical Testing of Mixtures".
La revue internationale "Road Materials and Pavement Design", lancée en 2000, dont l’un des trois Editeurs en Chef appartient à l’équipe du DGCB a été intégrée en 2005 dans la "master list" de l’International Science Index (Science Citation Index Expanded : Current Contents /Engineering, Computing, and Technology). Cette reconnaissance montre la renommée internationale qu’a acquise ce journal qui est devenu une référence scientifique dans le domaine.
En avril 2008, la troisième conférence "European Asphalt Technology Association" (EATA) se déroulera à Lyon. L’organisation et la présidence de cette conférence sont assurées conjointement par le DGCB et le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (division MSC). D’autre part, Hervé Di Benedetto a été sollicité pour rejoindre les comités scientifiques et/ou d’organisation d’une quinzaine de conférences internationales dans le domaine, ces trois dernières années.
Ces divers éléments confirment que le Laboratoire a acquis dans le domaine des matériaux bitumineux et plus généralement des structures routières une position de tout premier plan au niveau international.
Modélisation du comportement des matériaux bitumineux
Les travaux originaux sur la modélisation des matériaux bitumineux ont été poursuivis. Ils ont pour socle les deux modèles, 2S2P1D (2 Springs 2 Parabolic creep elements and 1 Dashpot) et DBN (Di Benedetto-Neifar) proposés par le laboratoire.
Le premier modèle (2S2P1D) traduit le comportement viscoélastique linéaire observé dans le domaine des petites déformations (inférieures à environ 10- 4m/ m pour les enrobés et inférieures à quelques 10-3m/m pour les bitumes). Les travaux récents ont principalement concerné la généralisation tridimensionnelle des résultats, largement validés dans le passé pour le cas unidimensionnel. Des expérimentations fines ont, en particulier, montré que le coefficient de Poisson devait être considéré comme complexe bien que les déphasages qui sont négatifs, restent très faibles (quelques degrés). Une courbe maîtresse de ces coefficients peut être tracée. Les coefficients de translation temps-température se révèlent être identiques pour le module Young complexe et le coefficient de Poisson. Ces éléments, tout à fait nouveaux pour ces matériaux, ont été introduits dans le modèle 2S2P1D pour lequel la généralisation au cas tridimensionnel isotrope ne nécessite que 2 constantes, le coefficient de Poisson obtenu à basse température et/ou très haute fréquence et celui obtenu à haute température et/ou très basse fréquence.
Le modèle viscoplastique avec endommagement "DBN" (Di Benedetto-Neifar) décrit avec une formulation unifiée les comportements en "petites" et en "grandes" déformations. Il permet, en particulier, la description du comportement viscoélastique linéaire en petite déformation, des non-linéarités aux déformations moyennes et de l’écoulement viscoplastique en grande déformation ainsi que des ruptures éventuelles de type fragile. Le formalisme unidimensionnel a été généralisé récemment. Soulignons que dans le domaine des petites déformations le modèle DBN est optimisé à partir du modèle 2S2P1D. Les avancées obtenues dans le domaine linéaire sont donc directement intégrées dans un modèle prenant en compte les non linéarités et les irréversibilités. Plus généralement, le modèle DBN est très modulable et peut décrire des comportements plus ou moins sophistiqués selon le degré de raffinement souhaité. Il est utilisé et éventuellement amélioré pour chacun des travaux expérimentaux menés au laboratoire.
Une expérimentation triaxiale est en cours dans le cadre de la thèse de P. Clec’h qui a commencé en 2006, afin de fournir une meilleure connaissance du comportement tridimensionnel des matériaux bitumineux. Cette connaissance est essentielle pour améliorer le dimensionnement des structures de chaussées. Cet essai thermo-régulé permettra d’assurer des sollicitations axiales et radiales asservies jusqu’à une fréquence de 10 Hz. Ce prototype, unique en France, se situera donc parmi les quelques appareils existants au niveau international.
Une thèse Cifre a été engagée en 2007 avec la société Eiffage TP. Les travaux de recherche se déroulent au sein du projet Orthoplus retenu par l’ANR fin 2006. L’objectif de ce projet qui regroupe 6 partenaires (ARCADIS, CTICM, Eiffage TP, Eiffage construction, LCPC & DGCB) est d’améliorer la modélisation des ponts orthotropes, en particulier grâce à la prise en compte des caractéristiques de la couche de roulement (thermo-viscoplastiques ou autre).
Courbes maîtresses du module Young complexe"E*" (module à gauche et angle de phase à droite) pour un bitume pur (B5070) un mastic dosé à 32% de fines (M507032) et un enrobé bitumineux (Mix 6%5070). Données expérimentales et simulation à l’aide des modèles 2S2P1D et DBN (Tref = 0°C)
Courbes maîtresses du coefficient de Poisson complexe"n *" (module à gauche et angle de phase à droite) pour un mastic dosé à 32%. Données expérimentales et simulation à l’aide des modèles 2S2P1D et DBN (Tref = 0°C)
Comportement en petite déformation des bitumes, mastics et enrobés
Des résultats intéressants et novateurs sur le comportement des bitumes et mastics bitumineux ont été obtenus lors de la thèse (Cifre) de B. Delaporte. Cette thèse en collaboration avec l’entreprise Total a exploité les potentialités du nouveau rhéomètre à cisaillement annulaire (Annular Shear Rheometer, ASR) conçu et mis au point au laboratoire. Il permet de tester des matériaux en utilisant une seule géométrie d’éprouvette sur 14 décades environ en fréquence équivalente, ce qui est tout à fait exceptionnel.
Dans le domaine de comportement viscoélastique linéaire, l’évolution du module complexe des matériaux bitumineux a été analysée sur une large gamme de températures et de fréquences. Plusieurs liants et plusieurs fillers dont un composé d’ultrafines uniquement, ont été sélectionnés de manière à constituer différentes formulations de mastics ayant des concentrations en fines variées. L’influence des caractéristiques des constituants (fillers et bitumes) a été analysée grâce à l’introduction d’un nouveau coefficient de renforcement complexe (RM*). Nous avons, en particulier, mis en évidence que l’utilisation d’ultrafines dans le bitume augmente fortement la rigidité des mastics à haute température. Cette rigidification a également été observée pour les enrobés bitumineux. Ces résultats très novateurs sont à l’origine d’un brevet déposé en 2006. Suite aux différents résultats prometteurs obtenus sur de nouveaux composites bitumineux imaginés lors de ce travail, la thèse a été classée confidentielle, à la demande de l’industriel.
Ce travail a été associé à une modélisation à l’aide du modèle 2S2P1D. L’ensemble des modules et coefficients complexes obtenu est bien simulé. En outre, les influences des bitumes et des granulats ont été reliées à différents coefficients du modèle, ce qui permet une évaluation de propriétés de l’enrobé à partir de celles du liant. Ce passage entre le liant et l’enrobé correspond à un enjeu économique important.
Une approche utilisant des méthodes d’homogénéisation (modèles auto-cohérents généralisés) a également été menée. Les limites de ces modèles lorsque la structure granulaire devient plus dense sont à souligner.
En 2007 des analyses, dans le cadre de la viscoélasticité linéaire, des ondes se propageant dans des éprouvettes d’enrobés, ont permis de valider le principe de superposition "temps-température" pour les hautes fréquences (environ 30 kHz). Ce résultat nouveau à été affiné grâce à l’utilisation du modèle 2S2P1D en dimension 3.
Endommagement par fatigue et fissuration des mélanges bitumineux
Les deux types de dégradation correspondant d’une part à l’endommagement (ou la fatigue) créé par l’accumulation de sollicitations cycliques (supérieures à 10+5 cycles) de petites amplitudes et, d’autre part, à la propagation d’une"macro" fissure, ont été étudiés.
En ce qui concerne la fatigue, rappelons que le Laboratoire a déjà proposé une approche novatrice pour les enrobés dont le caractère intrinsèque est à souligner. Cette approche est utilisée dans le cadre de la thèse de Nguyen Mai Lan en collaboration avec la société Eiffage TP. Les investigations se sont portées plus récemment sur les liants et mastics ( partie finale de la thèse Cifre de B. Delaporte). Ces nouveaux travaux sur la véritable"colle" des enrobés, se poursuivent dans le cadre de la thèse Cifre, en collaboration avec la société Total, de J. Van Rompu qui a commencé en 2006. Une expérimentation originale et unique à été imaginée afin de fournir au cours de la sollicitation cyclique en fatigue, une caractérisation étendue des dégradations (ou dommages) viscoélastiques. Pour cela, des mesures de modules complexes à très petits niveaux de déformations et pour différentes fréquences sont réalisées ponctuellement au cours de l’essai de fatigue. Les premiers résultats obtenus sont prometteurs. En particulier, les différents phénomènes biaisant l’essai ont pu être identifiés et quantifiés. Une modélisation globale de l’endommagement viscoélastique prenant en compte les effets thermiques à également été initiée.
Un nouvel essai de flexion 4 points d’éprouvette d’enrobé entaillée, obtenue a partir de sciage pratiqué in situ ou sur des plaques fabriquées au compacteur LPC, a été mis au point lors du Master de Nguyen Mai Lan. Cet essai est utilisé dans le cadre de sa thèse afin de caractériser les propagations de fissure en mode I dans les enrobés (milieux viscoplastiques). Des recherches ont été menées pour le Laboratoire Régional d’Autun sur des enrobés aux liants purs et modifiés. D’autre part, ces travaux sont intégrés dans un programme international au sein de la Rilem. Ce programme engage une quinzaine d’équipes. L’enrobé choisi est fourni par l’université d’Illinois à Urbana Champaign.
Déformations permanentes : orniérage des chaussées
Cette recherche a pour objectif de proposer une méthode pour l’évaluation de l’orniérage des chaussées pour laquelle les effets de cyclage doivent être pris en compte.
L’expérience originale mise au point au DGCB a été utilisée lors des travaux de la thèse de B. Dongmo (2005). Compte tenu des niveaux de précision mis en jeu pour la détermination des déformations, un système de déplacement des capteurs en cours d’essai a été développé.
L’analyse des essais a permis d’identifier les évolutions des propriétés en fonction du nombre de cycles appliqués, d’une part, et de préciser l’évolution des déformations permanentes, d’autre part. La distinction entre les déformations permanentes dues au phénomène visqueux (de type fluage), et celles induites par l’effet du cyclage, a été clairement mise en évidence.
La thèse de Ngyuen Hoang Minh en cours a permis de valider expérimentalement le concept d’équivalence temps-température dans le domaine non linéaire. Ce résultat, qui est naturellement pris en compte dans le modèle DBN, est tout à fait intéressant pour quantifier l’orniérage à différentes températures et vitesses de chargement.
Ces travaux sont partiellement introduits dans les activités du groupe de travail piloté par le laboratoire du CT Rilem 206 "Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials". Outre l’analyse des performances des différents essais à l’ornièreur, une simulation numérique des champs de contraintes et déformations existants lors de ce type d’essai, est en cours.
